УДК 616-71
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ
ПРОТИВОФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ
О.В. Муравьева, В.В. Муравьев, А.В. Мышкин
Проведено моделирование и исследовано влияние рабочей частоты и конструктивных особенностей противофазного электромагнитно-акустического преобразователя на его диаграмму направленности, определяемую углом ввода и шириной основного лепестка, амплитудой боковых лепестков, появлением дополнительных лепестков.
Ключевые слова: противофазный электромагнитно-акустический преобразователь, диаграммы направленности, дополнительные лепестки, боковые лепестки, направление излучения, рабочая частота, конструктивные особенности преобразователя.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что электромагнитно-акустическим (ЭМА) способом в металлах возбуждают и регистрируют импульсы различных типов упругих волн: продольные и сдвиговые вертикальной и горизонтальной поляризаций по нормали и под любым углом к поверхности, а также волны Рэлея, Лэмба и Похгаммера. При проектировании ЭМА-преобразователей первостепенное значение приобретает грамотное формирование их диаграмм направленности (ДН), позволяющее сконцентрировать у.з. волны в требуемом направлении и телесном угле.
В отличие от синфазных ЭМА-преобразователей, предназначенных для излучения объемных волн по нормали к поверхности и используемых в тол-щинометрии и структуроскопии [1—4], противофазные ЭМА служат для излучения объемных волн под углом к поверхности за счет создания фазового сдвига между однонаправленными проводниками индуктора и используются в дефектоскопии стального проката, рельсов, листов [4—6].
Большинство работ по расчету ДН противофазных ЭМА-преобразователей базируется на представлении ЭМА-преобразователя в виде двухпроводного противофазного излучателя [7] или в виде решетки противофазных проводников [8, 9]. Имеются частные теоретические и экспериментальные исследования по влиянию зазора и рабочей частоты преобразователя на формирование ДН [9, 10]. Предложенный в [11] подход к моделированию акустического поля синфазного ЭМА-преобразователя, основанный на представлении индуктора в виде линейной решетки синфазных элементов с током, позволяет учесть влияние конструктивных элементов ЭМА-преобразователя (шаг и число элементов решетки, зазор между индуктором и объектом контроля) и его рабочей частоты на его акустическое поле как в дальней, так и в ближней зонах преобразователя. Исследованные в [12] особенности акустических полей синфазных ЭМА-преобразователей с позиций влияния конструк-
Ольга Владимировна Муравьева, доктор техн. наук, профессор кафедры «Приборы и методы контроля качества» Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова, ведущий научный сотрудник Физико-технического института УрО РАН. Тел. (3412) 77-60-55 (доб.1-132). E-mail: nedzv@istu. ru
Виталий Васильевич Муравьев, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Приборы и методы контроля качества» Ижевского государственного технического университета им. М. Т. Калашникова, ведущий научный сотрудник Физико-технического института УрО РАН. Тел. (3412) 77-60-55 (доб.1-132). E-mail: vmuraviev@mail.ru
Андрей Владимирович Мышкин, аспирант кафедры «Приборы и методы контроля качества» Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова. Тел. (3412) 77-60-55 (доб.1-132). E-mail: pmkk@istu.ru
тивных особенностей позволили сформулировать требования при их проектировании, заключающиеся в минимизации ширины основного лепестка, подавлении боковых и полном устранении дополнительных лепестков.
Так как влияние на ДН различных конструктивных особенностей ЭМА-преобразователя является неоднозначным, что требует определенных компромиссов при его конструировании, представляется целесообразным исследование каждого из влияющих факторов.
В статье представлена модель, принятая в расчетах, и исследовано влияние основных параметров и конструктивных особенностей противофазного ЭМА-преобразователя на его ДН, определяемую углом ввода и шириной основного лепестка, амплитудой боковых и появлением дополнительных лепестков.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПОДХОДЫ
Накладной противофазный ЭМА-преобразователь представляется в виде решетки, содержащей N элементов шириной е каждый, с чередующимися с периодом р разнонаправленными токами /, шириной активной апертуры а и зазором между индуктором и объектом контроля к (рис. 1). Полагаем, что акустическое поле смещений в металле формируется в результате интегрального взаимодействия разнонаправленных вихревых токов 1е от каждого п-го элемента решетки с постоянным поляризующим полем подмагничивания В0, ориентированным либо по нормали, либо вдоль поверхности [11]
N
и = 2ип-(-1)п ехрОЧ), (1)
п=1
где к = 2лД, - волновое число; иеп - поле смещений волны исследуемого типа для п-го единичного элемента решетки ЭМА-преобразователя; г 0п -координаты п-го элемента решетки.
Поле смещений единичного элемента матрицы ЭМА-преобразователя иеп при электродинамическом механизме преобразования определяется типом излучаемой волны, геометрией единичного элемента и рабочей частотой преобразователя, электромагнитными и упругими свойствами контроли-
Рис. 1. Постановка задачи расчета акустического поля противофазного ЭМА-преобразователя
в точке наблюдения М:
а — активная апертура; g — зазор между ближайшими элементами; е — ширина единичного элемента; N — количество элементов; п — п-й элемент решетки; р = g + е — период решетки; к — зазор между индуктором и объектом контроля. Направления вихревых токов: X — от нас; ■ — на нас.
руемого материала, поляризующим полем, зазором между ЭМА-пре-образователем и объектом контроля, ДН продольной и поперечной волн для сосредоточенных источников типа горизонтальной (вертикальной) сосредоточенной силы [11, 13]. Выражения для иеп, гп и 0п определены в [11].
Подход к моделированию акустических полей противофазных ЭМА-преобразователей аналогичен представленному в [11]. Исходными параметрами для расчетов являются геометрические параметры решетки, зазор между индуктором и объектом контроля, рабочая частота преобразователя. Анализируются распределение относительных амплитуд смещений продольных и поперечных волн по углу ии(В), визуализация акустического поля в плоскости ии(В, г), распределение' относительных амплитуд смещений вдоль оси при фиксированном направлении прозвучивания и, (г).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Рассмотрим формирование акустических полей противофазных ЭМА-преобразователей продольных и поперечных волн с позиций влияния их конструктивных особенностей и рабочей частоты в условиях постоянства активной апертуры а = 13 мм на фиксированном расстоянии г =100 мм (в дальней зоне).
В качестве примера на рис. 2 представлены результаты расчета ДН и визуализации акустического поля противофазного ЭМА-преобразователя на частоте / = 2,5 МГц (при И = 0,2, е = 1,0 и р = 2,0 мм, N = 7), иллюстриру-
Рис. 2. ДН продольной и поперечной волн (а) и результаты визуализации акустического поля поперечной волны (б) противофазного ЭМА-преобразователя: / = 2,5 МГц; N =7; а = 13; И = 0,2; е = 1,0; р = 2,0 мм.
ющие достаточно оптимально сформированные ДН продольных и поперечных волн с двумя четко выраженными основными лепестками М( и М1 под углами 0М = ± 20° и 0М = ±38°, симметричными относительно оси преобразователя.
Общепринято считать, что углом наклона основных лепестков ДН противофазных ЭМА-преобразователей можно управлять за счет изменения рабочей частоты/или периода решетки р (числа элементов Ы) согласно формуле
р ■ 0 = Х/2,
(2)
где X - длина излучаемой волны на рабочей частоте ЭМА-преобразователя.
Приведенная на рис. 3 ДН ЭМА-преобразователя на рабочей частоте /= 5,0 МГц (при к = 0, е = 0,1 и р = 2,15 мм) иллюстрирует вариант неоптимально спроектированного противофазного ЭМА-преобразователя. Видно, что наряду с основными лепестками под углами 0М = ±9° и 0Ш = ±16° в акустическом поле появляются дополнительные лепестки 0( и 01 существенной амплитуды под углами 0а = ±27° и 0а = ±55°, не соответствующими условию (2).
и/и,
-26°
-45'
-90°,
I волна Г волна
-90 -60 -30 б
-14°
14°
200 мм
§ос УхГ
8ИШ
100
50
50
1
26° 0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
90° 0 100 мм
45
У
а
0
Рис. 3. ДН продольной и поперечной волн (а) и результаты визуализации акустического поля поперечной волны (б) противофазного ЭМА-преобразователя: /= 5,0 МГц; N = 7; а =13; к = 0; е = 0,1; р = 2,15 мм.
На рис. 4 маркерами обозначены полученные в ходе моделирования зависимости углов основного 0М и дополнительных 0е лепестков в ДН продольных и поперечных волн от рабочей частоты / при фиксированном периоде решетки и прочих равных условиях.
V
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0
l ' б 90 80 70 60 50 40 30 20 10
00
8 f, МГц
— m = 0
— m = 1
m = 2
m = 3
m = 4
f МГц
Рис. 4. Зависимости направлений основного 6М (т = 0) и дополнительных 6С (т = 1, 2, 3, 4) лепестков в ДН поперечных (а) и продольных (б) волн от рабочей частоты ЭМА-преобразователя.
а
В соответствии с представленными зависимостями формула (2) имеет следующий расширенный вид:
p • sin 0 = \t(2m + 1)/2, (3)
где m = 0 соответствует основному лепестку ДН 0М; m=1, 2, 3 и т.д. - дополнительным лепесткам 0G.
Сплошными кривыми на рис. 4 обозначены углы появления дополнительных лепестков, построенные в соответствии с расчетной формулой (3). Описываемые этой формулой направления основных и дополнительных лепестков тем ближе к модельным представлениям, чем больше апертура преобразователя a и ширина элемента решетки e, и чем меньше зазор h.
Для продольных волн наблюдается однозначная закономерность уменьшения угла дополнительных лепестков и увеличения их амплитуды с увеличением частоты. Так, изменение частоты в диапазоне 2—10 МГц при постоянстве апертуры a = 13 мм приводит к увеличению количества дополнительных лепестков до трех и росту их амплитуды от 0,1 до 1,0 в сравнении с амплитудой основного. При этом рассогласование с теорией возрастает для области больших углов и низких частот. Следует отметить, что справедливость
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.